JPH0790490A - 窒化用合金鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高回転型内燃機関用の部品を製造するための
材料として使用するための窒化用合金鋼の被切削性を改
善すると共に、疲労強度を更に向上させる。 【構成】 その表面に窒素拡散処理を施すために窒化物
生成元素を含有させた窒化用合金鋼において、該合金鋼
のミクロ組織中に析出されるブロック状の非パーライト
（例えば初析フェライト）の体積率を１０％以上に調整
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ｃｒ，Ｖ，Ａｌ，Ｔｉ
等の窒化物生成元素を含有し、窒化処理により高強度化
される窒化用合金鋼に関し、特に、高回転型内燃機関用
の部品を製造するための材料として使用するのに適した
窒化用合金鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】高回転型内燃機関用の部品は、軽量かつ
高強度であることが要求されるため、従来、クランクシ
ャフトなどにおいては、ＳＣＭ４３５（ＪＩＳ規格）な
どの中炭素合金鋼に焼入れ焼き戻しの熱処理を施した調
質材に対して、さらに耐磨耗性や疲労強度を向上させる
ためにガス軟窒化処理を施すことによりその製造がなさ
れている。

【０００３】なお、この窒化処理については、Ｃｒ，
Ｖ，Ａｌ，Ｔｉ等、安定な硬い窒化物を作る金属元素を
含有する合金鋼の表面へ活性のある窒素を拡散させて硬
化させる表面硬化法で、窒素拡散処理としては、ガス軟
窒化法の他にもガス窒化，塩浴窒化，イオン窒化等の方
法が実用化されており、材料の耐磨耗性や疲労強度を向
上させるために広く一般的に行われている金属処理方法
である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の内燃
機関用のクランクシャフトなどの製造において窒化処理
が施される材料は、焼入れ焼き戻しの熱処理が施された
調質材であって、そのような高強度材料は、被切削性に
劣る上、焼入れ焼き戻しなどの処理によりその製造工程
が複雑になるため、生産性が低くならざるを得ず、ま
た、何度も熱処理を受けるため歪みも大きくなる傾向が
ある。

【０００５】一方、コンパクトで高出力の内燃機関を実
現するためには、更に疲労強度の向上が望まれている
が、そのために窒化処理を長時間行うことは、一層生産
性を低下させるだけでなく、歪みを大きくすることとも
なり、また、そのために材料の炭素量や合金元素を増や
すことは、被切削性をより悪くし、焼入れによる歪みを
大きくするだけでなく、窒化処理における窒素の拡散が
阻害されて、充分な疲労強度が得られないことにもな
る。

【０００６】本発明は、上記のような従来の窒化処理用
の高強度材料の持つ不都合を解消することを目的として
おり、より具体的には、製造工程が簡略化でき、被切削
性が改善されると共に、疲労強度を更に向上させて、軽
量化を図ることができるような材料を提供することを目
的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決しかつ目的を達成するために、その表面に窒素拡散
処理を施すために窒化物生成元素を含有させた窒化用合
金鋼において、該合金鋼のミクロ組織中に析出されるブ
ロック状の非パーライト（例えば初析フェライト）の体
積率を１０％以上に調整したことを特徴とするものであ
る。なお、ここでいう非パーライトとは、パーライト，
ソルバイト，トルースタイト等のフェライトとセメタイ
トの層状ないし針状組織以外のものをいう。

【０００８】

【作 用】上記のような窒化用合金鋼によれば、従来の
高強度材料のような焼入れ焼き戻しの熱処理（調質）工
程が不要であり、大きな温度変化により生じる歪みも起
こらず、さらに、窒化処理を施す前では、従来の高強度
材料と比べて硬度が低いため、その切削加工が容易とな
る。

【０００９】その上、窒化処理を施すと、組織中にブロ
ック状の非パーライト（例えば初析フェライト）が析出
されていることによって、表面付近での窒素の拡散量が
多くなり、そのため材料の表面近傍においてその硬度が
著しく上昇し、従来の高強度材料に窒化処理を施したも
のと比べて、表面硬度がより高いものとなる。さらに、
表面硬度が高くなるのに比例して、疲労強度は向上す
る。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１１】図１は、本発明の窒化用合金鋼の一実施例
における窒化処理前のミクロ組織を示すもので、窒化用
合金鋼は、ＳＣＭ４３５合金鋼に熱処理として焼準処理
を行い、その成分に対して冷却速度を調整することによ
り、ブロック状の非パーライト（例えば初析フェライ
ト）を体積率で１０％程度析出させたものである。な
お、図において、（Ａ）は非パーライトを示し、（Ｂ）
はフェライトとセメンタイトの共析組織であるパーライ
トを示している。

【００１２】図２は、比較例となる従来の窒化用合金鋼
における窒化処理前のミクロ組織を示すもので、窒化用
合金鋼は、同じＳＣＭ４３５合金鋼に熱処理として焼入
れ焼き戻し（調質）を行ったもので、ブロック状の非パ
ーライト（例えば初析フェライト）が０％であり、全面
がソルバイト、すなわち、フェライトとセメンタイトが
１０００倍程度の拡大でどうにか判定できる程度の微細
なパーライト組織となっているものである。

【００１３】図３は、図１に示された本実施例の焼準処
理を施しブロック状の初析フェライトを体積率で１０％
程度析出させたＳＣＭ４３５合金鋼と、図２に示された
比較従来例の調質（焼入れ焼き戻し）処理を施しブロッ
ク状の初析フェライトを０％としたＳＣＭ４３５合金鋼
とについて、それぞれ同様に窒化処理を施した後、それ
ぞれの断面硬度を測定した結果を示すものである。

【００１４】図３に示された窒化処理後の断面硬度の比
較結果からみると、本実施例のように調整された材料で
は、従来の調質（焼入れ焼き戻し）材と比べて、本来の
硬度が低いにもかかわらず、窒化処理を施すことによっ
て、表面近傍の硬度が従来材よりも高いものとなってい
ることがわかる。

【００１５】ところで、図４は、各種材料において窒化
処理を施したときの最表面部（０．０５ｍｍ）の断面硬
度と疲労強度の関係について測定した結果を示すもの
で、この結果のように表面部の断面硬度と疲労強度とが
直線的に比例した関係にあることは、これまでの実験に
より既に知られているところである。

【００１６】このような既に知られている断面硬度と疲
労強度の関係に関連して、本実施例と比較従来例のそれ
ぞれ窒化処理を施した後のものについてその疲労強度を
比較した結果、図５に示されているように、本実施例の
ものが比較従来例と比べて、破損までの寿命が長い上、
疲労限で１０％程度高いことが確認された。

【００１７】材質がＳＣＭ４３５合金鋼の場合につい
て、本発明の一実施例と従来例とを比較した上記の結果
を纏めると次の通りである。

【００１８】熱処理として焼準処理を施し、そのミクロ
組織を初析フェライト１０％，パーライト９０％とした
本実施例では、これに窒化処理を施すと、表面（０．０
５ｍｍ部）の硬度（Ｈｍｖ）が６４３、内部１ｍｍ部の
硬度（Ｈｍｖ）が２７８、内部６ｍｍ部の硬度（Ｈｍ
ｖ）が２４０、疲労強度（ＭＰａ）が８２０となる。
（回転曲げ疲労試験、丸棒試験片、切欠係数１．７８）

【００１９】これに対して、熱処理として焼入れ焼き戻
し処理を施し、そのミクロ組織を初析フェライト０％の
ソルバイトとした従来の調質材では、これに窒化処理を
施すと、表面（０．０５ｍｍ部）の硬度（Ｈｍｖ）が５
７８、内部１ｍｍ部の硬度（Ｈｍｖ）が３３１、内部６
ｍｍ部の硬度（Ｈｍｖ）が３２０、疲労強度（ＭＰａ）
が７４０となる。（回転曲げ疲労試験、丸棒試験片、切
欠係数１．７８）

【００２０】すなわち、上記の結果からみると、ＳＣＭ
４３５合金鋼においては、熱処理の調整によりブロック
状初析フェライトを１０％析出させると、従来にものと
比べて、内部硬度はＨｍｖで５０ポイント以上低くなる
が、窒化後の最表面（０．０５ｍｍ部）の硬度は逆に６
０ポイント程度高くなり、疲労強度は１５％程度向上す
ることとなる。

【００２１】なお、上記のようにブロック状の初析フェ
ライトを析出させることにより窒化後の表面近傍の硬度
が高くなって疲労強度が向上するという点について更に
解明するために、窒化後の表面からの窒素の拡散量を分
析した結果、図６に示すように、ブロック状の初析フェ
ライトを析出させたものの方が、同一の深さでは窒素の
濃度が高いことが確認された。

【００２２】このような分析結果から、ブロック状の初
析フェライトを析出させたものの方が窒化後の表面近傍
の硬度がより高くなるのは、高い窒素濃度によって、表
面近傍では固溶強化および一部の合金との窒化物生成，
析出による析出強化の機構が働くためで、それによって
疲労亀裂の生成が遅延させられるものと考えられる。

【００２３】以上、本発明の窒化用合金鋼の性質をＳＣ
Ｍ４３５合金鋼による一実施例について従来例と比較し
て説明したが、このような性質を持つ本発明の窒化用合
金鋼は、従来例と比べて、窒化処理前では硬度が低くそ
の切削加工が容易であり、窒化処理後には表面硬度がよ
り高く疲労強度の大きいものとなるため、例えば内燃機
関のクランクシャフトなどの材料として使用するのに好
適なものである。

【００２４】なお、本発明は、上記のような実施例にの
み限定されるものではなく、Ｃｒ，Ｖ，Ａｌ，Ｔｉ等の
窒化物生成元素を含有し、窒化処理により高強度化する
ことのできる合金鋼において広く適用可能なものである
ことはいうまでもない。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したような本発明の窒化用合金
鋼によれば、これを例えばクランクシャフトなど内燃機
関用の部品の材料に適用した場合、焼入れ焼き戻しを必
要とせず製造工程を簡略化でき、被切削性が改善され
て、生産性を向上させることができると共に、製造され
る部品についても、疲労強度を更に向上できて、コンパ
クトで高出力の内燃機関を構成するのに好適なものとす
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における窒化処理前のミクロ
組織を示す模型図。

【図２】従来例における窒化処理前のミクロ組織を示す
模型図。

【図３】本発明の一実施例と従来例の窒化後の断面硬度
を比較して示すグラフ。

【図４】各種材料による窒化後の最表面硬度と疲労強度
との関係を示すグラフ。

【図５】本発明の一実施例と従来例の窒化後の疲労試験
結果を比較して示すグラフ。

【図６】ブロック状初析フェライトの体積率と窒素拡散
距離の関係を示すグラフ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 その表面に窒素拡散処理を施すために窒
   化物生成元素を含有させた窒化用合金鋼において、該合
   金鋼のミクロ組織中に析出されるブロック状の非パーラ
   イトの体積率が１０％以上に調整されていることを特徴
   とする窒化用合金鋼。